6DOFフライトダイナミクスの摂動分析とホバリングフルーツフライのショウジョウバエのパッシブダイナミック安定性メラノガスター

昆虫は、正確な安定性とステアリング操作性を実行できる羽ばたき飛行の絶妙な制御を示します。ここでは、6度の自由度（6DOF）運動をNavier-Stokes（NS）方程式と結合することに基づいて、ホバリングの飛行ダイナミクスを調査する統合計算モデルを開発します。非定常空力は、現実的な翼体の形態と運動学のモデルを統合する生物学に触発された動的飛行シミュレーターを使用して解決されます。さらに、4次Runge-Kuttaメソッドを使用して、6DOFモーションの剛体方程式を解くための動的モデルを開発します。このモデルでは、NS-ソリューションに基づく瞬間的な力とモーメントは、フーリエシリーズの観点から表されます。このモデルを使用すると、ホバリングフルーツフライのパッシブ動的安定性に関する系統的シミュレーションベースの分析であるショウジョウバエメラノガスターを実行します。私たちの結果は、フルーツフライのホバリングの飛行ダイナミクスは、摂動が単調な収束のように湿っているという従来の意味で、簡単な動的安定性を持っていないことを明らかにしています。ただし、6つの摂動変数すべてで観察された初期収束応答と、少なくとも1つの状態変数がいくつかの翼のビートサイクル後に分岐する傾向がある末端の不安定性を含む一時的な間隔が存在することがわかっています。さらに、我々の結果は、フルーツフライが身体の態度を​​失う前に安定したホバリングを維持するために活発な調停を適用するのに十分な時間を持っていることを示しています。

Insects exhibit exquisite control of their flapping flight, capable of performing precise stability and steering maneuverability. Here we develop an integrated computational model to investigate flight dynamics of insect hovering based on coupling the equations of 6 degree of freedom (6DoF) motion with the Navier-Stokes (NS) equations. Unsteady aerodynamics is resolved by using a biology-inspired dynamic flight simulator that integrates models of realistic wing-body morphology and kinematics, and a NS solver. We further develop a dynamic model to solve the rigid body equations of 6DoF motion by using a 4th-order Runge-Kutta method. In this model, instantaneous forces and moments based on the NS-solutions are represented in terms of Fourier series. With this model, we perform a systematic simulation-based analysis on the passive dynamic stability of a hovering fruit fly, Drosophila melanogaster, with a specific focus on responses of state variables to six one-directional perturbation conditions during latency period. Our results reveal that the flight dynamics of fruit fly hovering does not have a straightforward dynamic stability in a conventional sense that perturbations damp out in a manner of monotonous convergence. However, it is found to exist a transient interval containing an initial converging response observed for all the six perturbation variables and a terminal instability that at least one state variable subsequently tends to diverge after several wing beat cycles. Furthermore, our results illustrate that a fruit fly does have sufficient time to apply some active mediation to sustain a steady hovering before losing body attitudes.